Ket cau thep co ban

Trƣờng Đại học Giao thông vận tải
Viện Kỹ thuật xây dựng- Bộ môn Kết cấu xây dựng

Bài giảng

Kết cấu thép cơ bản
(Theo TCXDVN 338-2005)

Nguyễn Xuân Huy - Vũ Văn Hiệp - Tạ Quốc Việt


Lời nói đầu

Kết cấu thép là loại kết cấu đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng. Tại Việt Nam,
các công trình sử dụng kết cấu thép cũng ngày càng phát triển cùng với sự lớn mạnh của nền
kinh tế. Bài giảng Kết cấu thép cơ bản đƣợc dùng cho sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng tại
trƣờng Đại học Giao thông vận tải. Nội dung bài giảng dựa trên tiêu chuẩn thiết kế kết cấu
thép TCXDVN 338:2005, gồm 5 chƣơng:
- Chƣơng 1 cung cấp những khái niệm đại cƣơng về Kết cấu thép.
- Chƣơng 2 giới thiệu lý thuyết tính toán đối với các loại liên kết trong kết cấu thép.
- Chƣơng 3 trình bày khái niệm, lý thuyết và phƣơng pháp tính đối với cấu kiện cột thép.
- Chƣơng 4 trình bày khái niệm, lý thuyết và phƣơng pháp tính đối với cấu kiện dầm thép.
- Chƣơng 5 trình bày khái niệm, lý thuyết và phƣơng pháp tính đối với cấu kiện giàn thép.
Dù đã đƣợc đƣa vào giảng dạy từ khóa 46 nhƣng chắc chắn bài giảng còn có nhiều thiếu
sót. Các tác giả rất mong nhận đƣợc những góp ý và phản biện từ các thầy cô giáo cũng nhƣ
các bạn sinh viên để bài giảng có thể hoàn thiện hơn.

1


MỤC LỤC

Lời nói đầu .......................................................................................................................1
Chƣơng I.

Khái niệm về kết cấu thép...............................................................................................5

I.1
I.1.1
I.1.2
I.2

ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP .........................................................5
Ƣu khuyết điểm của kết cấu thép ...............................................................................5
Phạm vi sử dụng ........................................................................................................5

Vật liệu thép trong xây dựng công trình..........................................................................5
I.2.1 Cấu trúc và thành phần hóa học của thép ....................................................................5
I.2.2
I.2.3

Phân loại thép ............................................................................................................6
Số hiệu thép trong các tiêu chuẩn ...............................................................................7

I.2.4

Các loại thép cán nóng dùng trong xây dựng công trình ............................................ 10

I.3

Tính chất cơ học của thép ............................................................................................ 12

I.3.1 Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi chịu kéo ................................................................ 12
I.3.2 Sự phá hoại giòn của thép ........................................................................................ 13

I.4

Phương pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép ............................................................. 17
I.4.1 Quan điểm chung về phƣơng pháp tính kết cấu thép ................................................. 17
I.4.2 Phƣơng pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn .................... 18
I.4.3 Tải trọng và tổ hợp tải trọng ..................................................................................... 21

Chƣơng II.

LIÊN KẾT ............................................................................................... 24

II.1
Liên kết hàn ................................................................................................................. 24
II.1.1
Phƣơng pháp hàn trong kết cấu thép ..................................................................... 24
II.1.2
II.1.3
II.1.4
II.1.5

Một số vấn đề của liên kết hàn ............................................................................. 26
Các loại đƣờng hàn .............................................................................................. 27
Tính toán mối hàn ................................................................................................ 31
Tính toán các liên kết hàn .................................................................................... 33

II.2
Liên kết bu lông ........................................................................................................... 42

II.2.1
Phân loại bu lông ................................................................................................. 42
II.2.2
Cấu tạo của liên kết bu lông ................................................................................. 43
II.2.3
Tính toán khả năng chịu lực của bu lông .............................................................. 47
II.2.4

Chƣơng III.

Tính toán liên kết bu lông .................................................................................... 53

DẦM THÉP ......................................................................................... 58

III.1 Khái niệm về dầm thép ................................................................................................. 58
III.1.1
Phân loại dầm ...................................................................................................... 58
III.1.2
Các kích thƣớc chính của dầm ............................................................................. 59

2


III.2 Thiết kế dầm hình......................................................................................................... 63
III.2.1
Chọn tiết diện dầm hình ....................................................................................... 63
III.2.2
Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn về độ bền ............................................................. 64
III.2.3
III.2.4

Kiểm tra độ võng của dầm ................................................................................... 66
Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm hình ............................................................... 67

III.3 Thiết kế dầm tổ hợp...................................................................................................... 68
III.3.1
Chọn tiết diện dầm............................................................................................... 68
III.3.2
III.3.3

Kiểm tra độ bền, độ võng và ổn định của dầm tổ hợp ........................................... 72
Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài ................................................................... 74

III.4 Ổn định tổng thể của dầm thép ..................................................................................... 76
III.4.1
Khái niệm ............................................................................................................ 76
III.4.2
Tính toán theo điều kiện ổn định tổng thể............................................................. 77
III.5

Ổn định cục bộ của dầm thép ....................................................................................... 79

III.5.1
III.5.2

Ổn định cục bộ của bản cánh nén ......................................................................... 80
Ổn định cục bộ của bản bụng dầm........................................................................ 81

III.6 Cấu tạo và tính toán các chi tiết của dầm ..................................................................... 87
III.6.1

Liên kết cánh dầm với bản bụng .......................................................................... 87
III.6.2
III.6.3

Chƣơng IV.

Cấu tạo và tính toán mối nối dầm ......................................................................... 89
Cấu tạo và tính toán phần dầm ở gối tựa............................................................... 96

CỘT THÉP ........................................................................................ 101

IV.1 Khái niệm về cột thép ................................................................................................. 101
IV.1.1
Phân loại cột thép .............................................................................................. 101
IV.1.2

Sơ đồ tính, chiều dài tính toán và độ mảnh của cột ............................................. 102

IV.2 Cột đặc chịu nén đúng tâm ......................................................................................... 105
IV.2.1
Hình thức tiết diện ............................................................................................. 105
IV.2.2
Tính toán cột đặc chịu nén đúng tâm .................................................................. 106
IV.2.3

Xác định tiết diện cột đặc chịu nén đúng tâm ..................................................... 111

IV.3 Cột rỗng chịu nén đúng tâm ....................................................................................... 113
IV.3.1
Cấu tạo thân cột ................................................................................................. 113

IV.3.2
Sự làm việc của cột rỗng .................................................................................... 116
IV.3.3
IV.3.4

Tính toán cột rỗng chịu nén đúng tâm ................................................................ 123
Xác định thân cột rỗng chịu nén đúng tâm.......................................................... 124

IV.4 Cột chịu nén lệch tâm................................................................................................. 129
IV.4.1
Cấu tạo .............................................................................................................. 129
IV.4.2
Tính toán cột đặc chịu nén lệch tâm ................................................................... 130
IV.4.3
Xác định tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm, nén uốn......................................... 139
IV.5 Cấu tạo và tính toán các chi tiết của cột ..................................................................... 140
IV.5.1
Đầu cột và liên kết xà ngang vào cột .................................................................. 140
IV.5.2

Chân cột ............................................................................................................ 144

3


Chƣơng V.

DÀN THÉP ............................................................................................ 150

V.1

Khái niệm về dàn thép ................................................................................................ 150
V.1.1
Phân loại dàn ..................................................................................................... 150
V.1.2
V.1.3
V.1.4

Hình dạng dàn ................................................................................................... 152
Hệ thanh bụng của dàn....................................................................................... 154
Kích thƣớc chính của dàn .................................................................................. 155

V.1.5

Hệ giằng không gian .......................................................................................... 156

V.2

Tính toán dàn............................................................................................................. 157

V.2.1
V.2.2

Các giả thiết khi tính dàn ................................................................................... 157
Tải trọng tác dụng lên dàn .................................................................................. 158

V.2.3
V.2.4

Nội lực .............................................................................................................. 158
Chiều dài tính toán các thanh dàn ....................................................................... 159

V.2.5
V.2.6

Tiết diện hợp lý của các thanh dàn ..................................................................... 161
Chọn và kiểm tra tiết diện thanh dàn .................................................................. 161

V.3
Cấu tạo và tính toán nút dàn ...................................................................................... 164
V.3.1
Nguyên tắc chung .............................................................................................. 164
V.3.2
Nút gối .............................................................................................................. 164
V.3.3
Nút trung gian.................................................................................................... 166
V.3.4
Nút đỉnh ............................................................................................................ 167
V.3.5
Nút giữa dàn cánh dƣới ...................................................................................... 169
V.3.6
Nút có nối thanh cánh ........................................................................................ 170
V.3.7
Các cấu tạo khác của dàn ................................................................................... 172

Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 173

4


Chƣơng I. ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP

I.1

Khái niệm về kết cấu thép

Khái niệm kết cấu thép đƣợc sử dụng trong tài liệu này để chỉ những kết cấu chịu lực của
các công trình xây dựng làm bằng thép hoặc bằng kim loại khác nói chung. Kết cấu thép đƣợc
tạo nên bởi những cấu kiện khác nhau nhƣ các thanh, các tấm. Những cấu kiện này liên kết
với nhau tạo nên những kết cấu và công trình đáp ứng yêu cầu sử dụng.
I.1.1

Ƣu khuyết điểm của kết cấu thép

Kết cấu thép có rất nhiều ƣu điểm so với các loại vật liệu xây dựng khác. Do cấu trúc thuần
nhất của vật liệu nên kết cấu thép độ tin cậy cao. Sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép
gần sát với các giả thiết tính toán. Thép còn là loại vật liệu nhẹ có khả năng chịu lực lớn.
Phẩm chất nhẹ của vật liệu đƣợc đánh giá qua hệ số c, là tỷ lệ giữa trọng lƣợng riêng và
cƣờng độ tính toán của nó: c   / f . Ta có thể tham khảo bảng so sánh dƣới đây về phẩm
chất nhẹ của thép với 1 số vật liệu khác.

c / f

Thép

Gỗ

Bê tông

3,7.104 1/ m

5, 4.104 1/ m

2, 4.103 1/ m

Vật liệu thép có tính công nghệ hoá cao do có thể đƣợc chế tạo hoàn toàn trong nhà máy.
Ngoài ra, kết cấu thép có tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp, dễ sửa chữa, thay thế. Thép
cũng nhƣ liên kết của kết cấu thép có tính kín, không thấm nƣớc, không thấm khí và có khả
năng tái sử dụng khá cao.
Tuy nhiên, kết cấu thép cũng có những hạn chế nhƣ dễ bị xâm thực trong điều kiện không
khí ẩm gây nên hiện tƣợng gỉ. Chính vì vậy khi sử dụng kết cấu thép cần có lớp bảo vệ cho
thép nhƣ sơn phủ hoặc sử dụng thép hợp kim. Ngoài ra, thép là loại vật liệu chịu lửa kém. Ở
t  500  6000 C , thép chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng. Với

các công trình có yêu cầu chống cháy nghiêm ngặt, thép phải đƣợc bọc bằng lớp chịu lửa (bê
tông, tấm gốm, sơn phòng lửa…).
I.1.2

Phạm vi sử dụng

Thép có thể đƣợc sử dụng cho mọi loại kết cấu. Kết cấu thép thích hợp với các công trình
lớn (chiều cao lớn, chịu tải trọng lớn…), các công trình cần trọng lƣợng nhẹ, các công trình
cần độ kín không thấm nƣớc.
I.2
I.2.1

Vật liệu thép trong xây dựng công trình
Cấu trúc và thành phần hóa học của thép

5

I.2.1.1 Cấu trúc của thép
Thép có cấu trúc tinh thể. Quan sát một phiến thép mỏng dƣới kính hiển vi, ta thấy thép
gồm có hai tổ chức chính là ferit và xementit. Ferit là các hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể
tích có tính mềm và dẻo còn xementit, hợp chất sắt cacbua, rất cứng và giòn.
I.2.1.2 Thành phần hóa học của thép
Ngoài hai thành phần chính là sắt và cacbon, thép còn có các thành phần phụ khác nhƣ
măngan, silic, lƣu huỳnh, phôt pho… Mỗi chất trên đều có ảnh hƣởng nhất định đến tính chất
của thép, ví dụ nhƣ măngan làm tăng cƣờng độ và độ dai của thép, silic làm tăng cƣờng độ
thép, giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn hay phôtpho, làm giảm tính dẻo và độ dai va chạm của
thép, làm thép trở nên giòn ở nhiệt độ thấp.
I.2.2

Phân loại thép

I.2.2.1 Theo thành phần hóa học của thép
Theo thành phần hóa học, thép đƣợc chia ra làm hai loại chính:
- Thép cacbon, với lƣợng cacbon dƣới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác (thép
cacbon cao, thép cacbon vừa, thép cacbon thấp). Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp, với
lƣợng cacbon dƣới 0,22%, đó là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn.
- Thép hợp kim, có thêm các thành phần hợp kim khác nhƣ Crôm, Nikel, Mangan… nhằm
nâng cao chất lƣợng thép (tăng độ bền, tăng tính chống gỉ).
I.2.2.2 Theo phương pháp luyện thép
Thép đƣợc luyện từ gang để khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đƣa về
hàm lƣợng yêu cầu đối với thép. Có hai phƣơng pháp luyện chính:
- Luyện bằng lò quay: Lò quay là một cái bầu, quay xung quanh một trục nằm ngang.
Không khí đƣợc thổi qua đáy lò vào nƣớc gang lỏng để oxy hoá các hợp chất cần khử của
gang (C, Si, Mn).
- Luyện bằng lò bằng (lò Martin): Trong lò bằng, nƣớc gang lỏng đƣợc trộn lẫn với thép
vụn và đƣợc đốt nóng bằng khí đốt (hoặc bằng điện trong lò điện). Các chất của gang đƣợc
oxy hoá bằng các sắt oxyt trong thép vụn.

I.2.2.3 Theo mức độ khử oxy
Tùy theo phƣơng pháp để lắng nguội, chia ra:
- Thép sôi: thép khi nguội, bốc ra nhiều bọt khí nhƣ (oxy, cacbon oxyt) tạo thành những
chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép.
- Thép tĩnh (thép lặng): thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra do đã đƣợc
thêm những chất khử oxy (silic, nhôm, măngan.). Những chất này khử hết oxy có hại và
6


những tạp chất phi kim loại khác.
- Thép nửa tĩnh (nửa lặng): là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó oxy không
đƣợc khử hoàn toàn.
I.2.3

Số hiệu thép trong các tiêu chuẩn

Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải đƣợc lựa chọn cho phù hợp với tính chất quan trọng
của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trƣng của tải trọng, phƣơng pháp liên
kết… Phần này sẽ giới thiệu các loại thép thƣờng dùng trong xây dựng công trình đƣợc chỉ
dẫn trong Tiêu chuẩn Việt Nam và Tiêu chuẩn ngành 22TCN – 272 – 05.
I.2.3.1 Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1976
Thép cacbon thấp cường độ thường
Thép cacbon thấp cƣờng độ thƣờng (giới hạn chảy f y  290MPa ) đƣợc lấy theo Tiêu
chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1976, gồm hai loại chính: thép cacbon thông thƣờng với hàm
lƣợng cacbon từ 0,14%  0,22%, là thép sôi hoặc nửa tĩnh và thép cacbon thông thƣờng có
thêm hàm lƣợng mangan 0,8%  1,1%. Tùy theo yêu cầu sử dụng các loại thép này đƣợc chia
làm ba nhóm:
Nhóm A: thép đƣợc bảo đảm về tính chất cơ học
Nhóm B: thép đƣợc bảo đảm về thành phần hoá học
Nhóm C: thép đƣợc bảo đảm về tính chất cơ học và cả thành phần hoá học

Mác thép

Độ
kéo
N/mm2

Giới hạn chảy fy , MPa , cho Độ dãn dài 0, % , cho độ
bền độ dày t, mm
dày t, mm
 20 20< t 40 40Không nhỏ hơn

 20

20 < t  40

> 40

Không nhỏ hơn

CT34s

330-420

220

210

200

33

32

30

CT34n, CT34

340-440

230

220

210

32

31

29

CT38s

370-470

240

230

220

27

26

24

CT38n, CT38

380-490

250

240

230

26

25

23

CT38nMn

380-500

250

240

230

26

25

23

CT42s

410-520

260

250

240

25

24

22

CT42n, CT42

420-540

270

260

250

24

23

21

7


Vì thép làm kết cấu chịu lực phải đảm bảo cả về độ bền và tính dễ hàn, chịu đƣợc tác động
xung kích, nên chỉ đƣợc dùng thép nhóm C. Các loại thép cacbon thấp có giới hạn chảy vào
khoảng 2200 – 2700 daN/cm2, giới hạn bền biến động từ 3300 đến 5400 daN/cm2.
Các ký hiệu trên số hiệu thép có ý nghĩa nhƣ sau: CT có nghĩa là cacbon thƣờng, con số đi
sau chỉ độ bền kéo đứt (N/mm2), chữ s chỉ thép sôi (hoặc n là nửa tĩnh, nếu là thép tĩnh thì
không ghi gì).
Thép cường độ khá cao
Là thép cacbon mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp. Thép cƣờng độ khá cao có giới
hạn chảy trong khoảng 3100 – 4000 daN/cm2, giới hạn bền từ 4500 – 5400 daN/cm2.
Thép cường độ cao
Thép cƣờng độ cao gồm các loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao trên 4400
daN/cm2 và giới hạn bền trên 5900 daN/cm2.
I.2.3.2 Theo Tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05
Căn cứ vào đƣờng cong ứng suất - biến dạng và thành phần hoá học của thép, có thể phân

ra 4 loại thép sau:
+ Thép cacbon (cấp 250)
+ Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao (cấp 345)
+ Thép hợp kim thấp gia công nhiệt (Cấp 485)
+ Thép hợp kim gia công nhiệt cƣờng độ cao (Cấp 690)

Hình I-1: Các đường cong ứng suất biến dạng điển hình của 4 loại thép

8


Các đặc tính cơ học của kết cấu thép theo hình dáng, cƣờng độ và chiều dày:

Thép cacbon
Thép cacbon có cƣờng độ chảy và điểm chảy rõ ràng, có tính dẻo cao nên cho phép phân
phối lại ứng suất cục bộ mà không bị nứt do đó phù hợp khi sử dụng làm chi tiết liên kết.
Thép cacbon có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây
dựng.
Thép hợp kim thấp cường độ cao
Các thép này có thành phần hoá học đƣợc hạn chế để phát triển cƣờng độ chảy và cƣờng
độ kéo đứt lớn hơn thép cacbon nhƣng lƣợng kim loại bổ sung nhỏ hơn trong thép hợp kim.
Cƣờng độ chảy cao hơn (fy = 345 MPa) đạt đƣợc trong điều kiện cán nóng hơn là qua gia
công nhiệt. Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và
các thép cán định hình trong xây dựng. Các hợp kim này có sức kháng gỉ trong không khí cao
hơn. Do có các phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thƣờng là sự lựa chọn đầu tiên của ngƣời thiết
kế các cầu có nhịp trung bình và nhỏ.
Thép hợp kim thấp gia công nhiệt
Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao có thể đƣợc gia công nhiệt để đạt đƣợc cƣờng độ chảy
cao hơn (fy = 485 MPa). Thành phần hoá học cho các cấp 345W và 485W là gần nhƣ nhau.
Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép và làm tăng cƣờng độ, độ rắn

và độ dai. Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao. Có một sự chuyển tiếp
rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử quá đàn hồi. Cƣờng độ chảy của các thép này thƣờng
9


đƣợc xác định ở độ giãn bằng 0,5% dƣới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2%
theo định nghĩa bù. Thép hợp kim thấp đƣợc gia công nhiệt có thể hàn, tuy nhiên chỉ thích
hợp cho tấm. Sức kháng gỉ trong không khí của chúng là giống nhƣ thép hợp kim thấp cƣờng
độ cao.
Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao
Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải nhƣ trong thép hợp kim thấp
cƣờng độ cao. Phƣơng pháp gia công nhiệt tôi nhúng đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ đối với
thép hợp kim thấp nhƣng thành phần khác nhau của các nguyên tố hợp kim làm phát triển
cƣờng độ cao hơn (fy = 690 MPa) và tính dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp. Đƣờng cong gỉ trong
không khí đối với các thép hợp kim (cấp 690) thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp
thép. Ở đây, cƣờng độ chảy cũng đƣợc xác định ở độ giãn bằng 0,5% dƣới tác dụng của tải
trọng hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù. Khi xem xét đƣờng cong ứng suất-biến
dạng đầy đủ trong Hình I-6, rõ ràng các thép đƣợc gia công nhiệt đạt cƣờng độ chịu kéo dạng
chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so với thép không đƣợc xử lý nhiệt. Độ dẻo thấp hơn này
có thể gây ra vấn đề trong một số tình huống khai thác và, do vậy, cần phải thận trọng khi sử
dụng thép gia công nhiệt .
I.2.4

Các loại thép cán nóng dùng trong xây dựng công trình

Kết cấu xây dựng công trình đƣợc chế tạo từ các thép tấm, thép hình và có chủng loại cũng
nhƣ kích thƣớc khác nhau. Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia về thép cán nóng bao
gồm các loại thép góc, thép chữ I, thép chữ [, thép tấm, thép tròn, thép vuông, thép dẹt, thép
ray. Khi sử dụng thép nƣớc ngoài cần phải lấy theo tiêu chuẩn tƣơng ứng. Sau đây giới thiệu
một số thép hình cơ bản dùng để chế tạo các kết cấu thép trong xây dựng công trình.

I.2.4.1 Thép hình
Thép góc

B

a)

c)

d y
x

x
y

d
B

b)

d)

B

d y

x

x
d

b

Hình I-2: Thép góc và ứng dụng

10


Thép góc có hai loại: đều cạnh và không đều cạnh. Đây là loại thép cán đƣợc dùng nhiều
nhất trong kết cấu thép. Đặc điểm của tiết diện thép góc là cánh có hai mép song song nhau,
tiện cho việc cấu tạo liên kết. Theo TCVN-1657: 1993, chiều dài thanh thép góc đƣợc sản
xuất từ 4 đến 13m. Thép góc đƣợc dùng làm:
- Thanh chịu lực nhƣ thanh của dàn, các thanh của hệ giằng…
- Liên kết với các loại thép khác để tạo nên các cấu kiện tổ hợp
Thép chữ I
Mặt cắt tiết diện dạng chữ I. Thép chữ I có 2 trục đối xứng, cấu tạo gồm 2 bản cánh theo
phƣơng ngang và 1 bản bụng thẳng đứng.
y

a)

b)

d

h

x

x

b

y
Hình I-3: Thép chữ I và ứng dụng

Thép chữ [

h

a)

x

c)

b)
y

y

d

d

x

y

x

x

y

Hình I-4: Thép chữ [ và ứng dụng

Thép chữ [ có một mặt bụng phẳng và các cánh vƣơn rộng nên tiện liên kết với các cấu
kiện khác. Thép chữ [ đƣợc dùng làm dầm chịu uốn, đặc biệt hay dùng làm xà gồ mái chịu
uốn xiên, hay đƣợc ghép thành thanh tiết diện đối xứng dùng làm cột, làm thành dàn cầu.
Các loại thép hình khác
Ngoài những loại thép nêu trên còn có một số loại thép có tiết diện khác dùng cho các công
trình. Ta có thể kể ta đây một vài loại thép đặc biệt đó nhƣ thép chữ I cánh rộng, thép ống,
11


thép chữ T, thép ray, thép vuông, thép tròn...
I.2.4.2 Thép tấm
Thép tấm đƣợc dùng rộng rãi vì tính chất vạn năng, có thể tạo ra các loại tiết diện có hình
dạng và kích thƣớc bất kì. Đặc biệt trong kết cấu bản thì hầu nhƣ toàn bộ dùng thép tấm. Theo
TCVN-1657: 1993 có các loại sau:
- Thép tấm phổ thông, có bề dày từ 4 - 60mm, rộng 160 - 1050mm, chiều dài 6 - 12m.
- Thép tấm dày, có bề dày 4 - 160mm, bề rộng từ 600 - 3000mm, dài 4 - 8m.
- Thép tấm mỏng, có bề dày 0,2 - 4mm, rộng 600 - 1400mm, dài 1,2 - 4m.
I.2.4.3 Thép hình dập, cán nguội
Đây là loại thép hình mới so với thép cán. Từ các tấm thép mỏng, thép dải, dày 2 – 16 mm,
mang dập nguội mà thành.
y

y
y

x

B

B

h

x

x

x

x

x

t

y
B

y
b

t

r = 1,5 t

y
b

t

Hình I-5: Tiết diện thép hình dập nguội

Tính chất cơ học của thép

I.3
I.3.1

Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi chịu kéo

Sự làm việc chịu kéo là dạng làm việc cơ bản của thép, đặc trƣng cho sự chịu lực của thép
dƣới tải trọng. Qua nghiên cứu sự làm việc chịu kéo của thép, ta có các đặc trƣng cơ học chủ
yếu của thép nhƣ: ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, mô đun đàn hồi.
Đƣờng cong quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép có thể đƣợc chia thành 4 đoạn:
Đoạn AB đƣợc coi là thẳng nghĩa là, quan hệ ứng suất – biến dạng trong đoạn đó là tuyến
tính với mô đun đàn hồi là hằng số. Mô đun đàn hồi của các loại thép phổ biến có giá trị là
12


Es  200.000 MPa . Điểm kết thúc ứng với giới hạn chảy ứng với giới hạn chảy fy và biến

dạng chảy y  fy Es . Giới hạn chảy và biến dạng chảy có độ lớn phụ thuộc vào từng cấp
thép.
Đoạn BC đƣợc gọi là thềm chảy. Trong đoạn này ứng suất trong cốt thép đƣợc giữ là hằng
số với giá trị fy . Chiều dài của thềm chảy, ứng với phạm vi biến dạng từ y đến h thể hiện

độ dẻo của thép và cũng thay đổi tuỳ theo cấp thép.
Đoạn CD đƣợc gọi là đoạn tái bền (hardening), cốt thép đạt đến ứng suất lớn nhất fu và
biến dạng tƣơng ứng là u .
Đoạn DE đƣợc gọi là đoạn mềm (softening) với mô đun đàn hồi âm, cốt thép bị đứt ở ứng
suất fb và biến dạng tƣơng ứng là b .
fs

D

fu

E

fb

fy

A

B

C

y

h

u

b

s

Hình I-6: Biểu đồ quan hệ – ứng suất biến dạng của thép

I.3.2

Sự phá hoại giòn của thép

Sự phá hoại giòn: là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt.
Sự phá hoại dẻo: là sự phá hoại với biến dạng lớn xảy ra do lực trƣợt giữa các phần tử (hạt
tinh thể) khi mà ngoại lực lớn hơn lực chống trƣợt giữa các phân tử.
Thực tế, kết cấu thép chỉ có thể bị phá hoại khi có sự phá hoại giòn của thép. Nếu thép vẫn
ở trạng thái làm việc dẻo thì kết cấu thép không thể bị phá hoại. Kết cấu chỉ có thể mất khả
năng chịu lực do biến dạng dẻo quá lớn. Khi thiết kế cần tránh những nguyên nhân làm cho
thép bị phá hoại giòn.
I.3.2.1 Hiện tượng cứng nguội
Là hiện tƣợng thép trở nên cứng sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thƣờng. Thép sau khi
đã bị biến dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đàn hồi cao hơn và biến dạng khi phá hoại
13


nhỏ hơn.
Mang kéo một mẫu thép đến giai đoạn dẻo rồi bỏ tải có biến dạng dƣ  . Khi gia tải lần
thứ hai thép vẫn làm việc đàn hồi lặp lại đƣờng thẳng giảm tải, và sau đó tiếp tục làm việc
theo biểu đồ kéo thông thƣờng. Nhận thấy, thềm chảy của thép giảm đi, và thậm chí không
còn nữa. Nếu kéo mẫu thép quá biến dạng dẻo mới bỏ tải thì thép sau đó làm việc hầu nhƣ
hoàn toàn trong giai đoạn đàn hồi, với biến dạng phá hoại nhỏ. Hiện tƣợng tăng giới hạn đàn
hồi của thép do bị biến dạng dẻo trƣớc gọi là hiện tƣợng cứng nguội. Sự cứng nguội làm tăng
cƣờng độ của thép nhƣng làm cho thép giòn.

a)

 kN/cm 2

b)

 kN/cm 2

c)

d)

 kN/cm2

 kN/cm2

K3
K1

o

% o o1
1

K2

% o

2

o2

% o

3

o3

%

Hình I-7: Sự cứng nguội của thép

I.3.2.2 Thép chịu trạng thái ứng suất phức tạp – sự tập trung ứng suất
Ở trạng thái ứng suất phẳng, khi có ứng suất kéo theo hai phƣơng ( 1  0, 2  0 và cùng
dấu) ta thấy giới hạn tỉ lệ tăng cao, không còn thềm chảy, và độ giãn phá hoại giảm đi. (đƣờng
cong 1). Khi 1 , 2 khác dấu, thép trở nên dẻo hơn (đƣờng cong 2). Hiện tƣợng này có thể
giải thích bằng lý thuyết ứng suất tiếp nhƣ sau: ở trạng thái ứng suất phẳng, ứng suất tiếp lớn
nhất bằng nửa hiệu số các ứng suất chính.

Hình I-8: Biểu đồ chịu lực của thép ở trạng thái ứng suất phức tạp. 1)  1 , 2 cùng dấu, 2)  1 , 2
khác dấu, 3) kéo một trục

14


Sự chảy của vật liệu chủ yếu là do sự trƣợt dƣới tác dụng của ứng suất tiếp. Khi 1 , 2
cùng dấu,  có trị số nhỏ, nên sự chảy khó hơn, giới hạn chảy tăng lên, tính dẻo giảm đi.
Khi 1  2 thì   0 , sự chảy không xuất hiện, sự phá hoại là dạng đứt giòn.
Một trƣờng hợp hay gặp của trạng thái ứng suất phức tạp là trƣờng hợp ứng suất cục bộ,
gây bởi các biến đổi đột ngột của hình dạng cấu kiện khi chịu trạng thái ứng suất phức tạp.

Nếu cấu kiện có lỗ khoét, rãnh cắt... thì quỹ đạo các ứng suất chính sẽ không còn song song
đều đặn mà uốn cong xung quanh chỗ cắt. Đƣờng lực tập trung chứng tỏ ứng suất chỗ đó tăng
cao, còn đƣờng lực uốn cong chứng tỏ ứng suất hai phƣơng. Ứng suất lớn nhất ở vị trí lỗ cắt
có thể lớn hơn ứng suất trung bình tại tiết diện đó. Sự tồn tại trạng thái ứng suất theo hai
phƣơng x , y làm cho thép trở nên giòn.

x

a)

1

1

x

y

y

x







x = 

x



y

y

Hình I-9: Sự tập trung ứng suất; a) Các quỹ đạo ứng suất kéo, b)Biểu đồ thay đổi sự làm việc của
thép. 1. Không có sự tập trung ứng suất, 2 .Có sự tập trung ứng suất, 3. Có sự tập trung ứng suất do
rãnh cắt.

15


I.3.2.3 Thép chịu tải trọng lặp
Khi thép chiu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần (vài triệu lần) nó có thể bị phá hoại ở ứng
suất nhỏ hơn giới hạn bền. Ngƣời ta gọi đó là sự mỏi của thép. Sự phá hoại về mỏi mang tính
chất phá hoại giòn, thƣờng xảy ra đột ngột và kèm theo vết nứt. Ứng suất phá hoại mỏi của
thép gọi là f f cƣờng độ mỏi. Cƣờng độ mỏi f f phụ thuộc vào số chu kì lặp (thông thƣờng ổn
định với số lần lặp trên 2 x 106) và tính chất thay đổi của tải trọng, đƣợc đặc trƣng bởi tỉ số
giữa ứng suất nhỏ nhất và ứng suất lớn nhất cùng dấu của chúng    min /  max . Khi  có trị
số từ 0 đến +1 (ứng suất không đổi dấu), f f bằng giới hạn chảy  c . Khi   1 , tức là chu kì
biến đổi phản xứng, f f chỉ vào khoảng 0,4 giới hạn bền hay 0,75 giới hạn chảy. Giá trị cƣờng
độ mỏi f f có thể tra ở phụ lục.
a)

ff , kN/cm

2

40

20
~17

10
0
b)

6

10 n

2

10

12 14

+

+

+ max
+ max

+tb

=31 

max

=

8

6

+
+ max

min

4

+

min

+
max

=0,33

t

min =0
=

+ min

+ max

=0

t 
min

t

 min
=
=-1
+ max

Hình I-10: Cường độ mỏi (rung động); a) Quan hệ f f và số chu kì; b) Các đặc trưng biến đổi ứng
suất

I.3.2.4 Sự hóa già của thép
Theo thời gian, tính chất của thép thay đổi dần: giới hạn chảy và giới hạn bền tăng lên, độ
giãn và độ dai xung kích giảm đi, thép trở nên giòn hơn. Hiện tƣợng này gọi là sự lão hóa.
Nguyên nhân là trong các tinh thể ferit vẫn còn các chất C, N hòa tan. Các chất này dần dần
tách ra và tạo nên các lớp cứng giữa các hạt ferit. Thép trở nên cứng hơn nhƣng kém dẻo hơn.

16


I.3.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ làm thay đổi các đặc tính cơ học của thép.

Nhiệt độ dương: Ở nhiệt độ t = 200 – 3000C, các đặc tính cơ học của thép cacbon thấp gần
nhƣ không thay đổi. Ở nhiệt độ từ 300 đến 3300C, thép suất hiện sự rạn nứt trên các phân tử
và trở nên giòn hơn. Nếu nhiệt độ vƣợt quá nhiệt độ trên đây, giới hạn đàn hồi và giới hạn bền
giảm xuống rất nhanh. Khoảng 600 đến 6500C, thép trở nên chảy dẻo.
Nhiệt độ âm: Khi ở trong nhiệt độ thấp, độ bền của thép tăng lên từ từ, nhƣng tính dẻo của
thép giảm đi rất nhanh.
I.3.2.6 Độ dai va đập
Để đánh giá mức độ thép dễ chuyển sang giòn và ảnh hƣởng của ứng suất tập trung, ngƣời
ta thí nghiệm để tìm độ dai va đập của thép. Dùng một mẫu có cắt khấc, đặt dƣới búa đập
dạng con lắc, nâng con lắc lên để rơi tự do đập gãy mẫu, hiệu số thế năng trƣớc sau khi đập
gãy mẫu chính bằng công phá hoại mẫu. Tại tiết diện có cắt khấc, ứng suất phân bố không
đều, tác dụng va chạm làm tăng khả năng vật liệu thép chuyển sang giòn. Độ dai va đập có giá
trị bằng công phá hoại mẫu chia cho diện tích tiết diện mẫu.

Hình I-11: Mẫu thí nghiệm độ dai va đập (xung kích)

Phƣơng pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép

I.4
I.4.1

Quan điểm chung về phƣơng pháp tính kết cấu thép

Nguyên tắc chung của việc kiểm toán kết cấu nói chung và kết cấu thép nói riêng là đảm
bảo sức kháng của vật liệu và mặt cắt phải lớn hơn hiệu ứng do tải trọng bên ngoài sinh ra.
Nguyên tắc này có thể đƣợc viết dƣới dạng sau:
Sức kháng của vật liệu  Hiệu ứng của tải trọng
Khi áp dụng nguyên tắc trên, hai vế của bất đẳng thức phải đƣợc đánh giá trong cùng
những điều kiện nhƣ nhau, hay nói cách khác, việc xác định hai vế của bất đẳng thức phải
đƣợc thực hiện đối với cùng một trƣờng hợp tải trọng.

Kết cấu có thể đƣợc giả thiết là bị phá hoại khi một trƣờng hợp tải trọng nào đó đạt tới mức
giới hạn. Trạng thái đó đƣợc định nghĩa là một trạng thái giới hạn và nếu vƣợt qua trạng thái
đó thì toàn kết cấu hoặc một cấu kiện nào đó sẽ không còn đảm bảo đƣợc chức năng thiết kế
của nó. Trạng thái giới hạn đối với một kết cấu có thể là các trạng thái giới hạn về uốn, cắt,
17


xoắn, mất ổn định dọc trục, lật, trƣợt hay các trạng thái giới hạn về võng, nứt, lún hay mỏi.
Mục đích của việc thiết kế kết cấu là để đảm bảo cho kết cấu không bị rơi vào trạng thái giới
hạn, ngoài ra cũng cần đạt đƣợc các tiêu chí khác trong thiết kế tổng thể nhƣ khả năng sử
dụng, tính thẩm mỹ và tính kinh tế. Nếu một kết cấu đƣợc thiết kế quá an toàn để không bao
giờ bị rơi vào bất kỳ trạng thái giới hạn nào thì sẽ không đảm bảo đƣợc tính kinh tế. Do vậy,
cần thiết phải xác định đƣợc một cấp độ rủi ro hay độ dự trữ an toàn nhất định có thể chấp
nhận đƣợc trong thiết kế kết cấu. Việc xác định những cấp độ hay giá trị nhƣ vậy thƣờng phải
đƣợc thực hiện dựa trên kinh nghiệm và phán xét của các nhóm chuyên gia tƣ vấn, nghiên
cứu, thiết kế và các cơ quan chuyên trách.
Hai phƣơng pháp thiết kế đƣợc sử dụng rộng rãi từ trƣớc tới nay là phƣơng pháp thiết kế
theo ứng suất cho phép (Allowable Stress Design, viết tắt là ASD) và phƣơng pháp thiết kế
theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design, viết tắt là LRFD).
Trong nhiều tài liệu khác, hai phƣơng pháp trên đã đƣợc giới thiệu chi tiết. Dƣới đây chỉ nhắc
lại những nét cơ bản của phƣơng pháp tính kết cấu theo trạng thái giới hạn.
I.4.2

Phƣơng pháp tính toán và thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn

Theo phƣơng pháp này, kết cấu thép phải đƣợc thiết kế để không vƣợt quá các trạng thái
giới hạn đã đƣợc quy định trong tiêu chuẩn. Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn này dựa trên
phƣơng pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD). Tuy vậy, việc chia nhóm của
các trạng thái giới hạn là khác nhau đối với mỗi tiêu chuẩn.
I.4.2.1 Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05.

Phần này sẽ giới thiệu chi tiết hơn về các trạng thái giới hạn đƣợc quy định trong tiêu
chuẩn 22 TCN-272-05. Các hệ số tải trọng tƣơng ứng với các trạng thái này đƣợc đƣợc quy
định nhƣ trong bảng.
Trạng thái giới hạn về cường độ
Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 đƣa ra 3 trạng thái giới hạn cƣờng độ khác nhau phù hợp với
điều kiện Việt Nam thay cho 5 trạng thái giới hạn nhƣ trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD.
Trong tất cả các tổ hợp tải trọng cƣờng độ, để xét các hiệu ứng lực phi chuyển vị các tải trọng
TU, CR và CH đều đƣợc nhân với hệ số tải trọng 0,5 để xét đến việc giảm các ứng lực này
theo thời gian so với giá trị xác định theo phân tích đàn hồi. Khi tính toán chuyển vị thì những
tải trọng này đƣợc xét với hệ số tải trọng 1,2 để tránh các khe nối và gối không đủ kích thƣớc.
Trạng thái giới hạn cường độ I là tổ hợp tải trọng cơ bản khi có xe bình thƣờng trên cầu
mà không có gió.
Trạng thái giới hạn cường độ II là tổ hợp tải trọng xét đến cầu khi chịu tải trọng với vận
tốc gió lớn hơn 25 m/s. Trong trƣờng hợp này, sự có mặt của hoạt tải trên cầu là không đáng
kể.
18


Trạng thái giới hạn cường độ III là tổ hợp tải trọng khi có xe bình thƣờng trên cầu với vận
tốc gió 25 m/s. Trạng thái giới hạn này khác với trạng thái giới hạn cƣờng độ II ở sự có mặt
của hoạt tải trên cầu, tải trọng gió lên xe cộ và tải trọng gió lên kết cấu đã đƣợc chiết giảm.
Trạng thái giới hạn về sử dụng
Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 chỉ đƣa ra 1 trạng thái giới hạn sử dụng thay cho 3 trạng thái
nhƣ trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Tổ hợp tải trọng này xét đến cẩu trong điều kiện khai
thác bình thƣờng với vận tốc gió 25 m/s và các tải trọng khác lấy bằng giá trị danh định. Tổ
hợp tải trọng này đƣợc sử dụng để kiểm toán võng, kiểm toán nứt và độ mở rộng vết nứt trong
kết cấu bê tông cốt thép cũng nhƣ kiểm toán ứng suất trong cốt thép dự ứng lực.
Trạng thái giới hạn về mỏi và đứt gãy
Trong cầu đƣờng bộ tải trọng lặp gây ra mỏi là các xe tải chạy trên cầu. Tiêu chuẩn 22
TCN 272-05 không đƣa ra số chu kỳ lặp của tải trọng để xác định cƣờng độ mỏi đối với cấu

kiện bê tông cốt thép. Ở đây ẩn ý rằng, giá trị giới hạn ứng suất mỏi đƣa ra là đủ thấp để có
thể xem tuổi thọ chịu mỏi của kết cấu là vô hạn.
Trạng thái giới hạn đặc biệt
Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 gộp 2 trạng thái giới hạn đặc biệt trong tiêu chuẩn AASHTO
LRFD thành 1 trạng thái với hệ số tải trọng cho hoạt tải đƣợc lấy bằng 0,5 do từng tổ hợp tải
trọng do các tải trọng EQ, CT và CV tác dụng riêng rẽ gây ra. Các tải trọng này, tuy nhiên vẫn
có thể kết hợp với tải trọng WA, ví dụ nhƣ trong trƣờng hợp xảy ra lũ lớn gây xói dƣới chân
cầu làm giảm khả năng chịu lực của nền móng.
I.4.2.2 Các trạng thái giới hạn theo TCXDVN 338-2005
Trạng thái giới hạn là trạng thái kết cấu thôi không thỏa mãn các yêu cầu đề ra đối với
công trình khi sử dụng cũng nhƣ khi xây lắp. Đối với kết cấu chịu lực, ngƣời ta xét các TTGH
sau:
- Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng đƣợc nữa. Các
trạng thái đó là: phá hoại về bền, mất ổn định, mất cân bằng vị trí, kết cấu bị biến đổi hình
dạng.
- Nhóm TTGH thứ hai: không còn sử dụng bình thƣờng đƣợc. Các trạng thái đó là: bị
võng, lún, rung, nứt... quá mức cho phép.
Đối với nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện an toàn về mặt chịu lực có thể viết dƣới dạng:

N S
Trong đó: N là nội lực trong cấu kiện đang xét; S là nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể
chịu đƣợc.
19


Nội lực N có giá trị lớn nhất có thể xảy ra trong suốt quá trình sử dụng. Nội lực N gây ra
bởi tải trọng tính toán đó là tải trọng lớn nhất có thể xảy ra trong thời gian đó. Tải trọng tính
toán P là tích số của tải trọng tiêu chuẩn Pc (tức là tải trọng lớn nhất có thể có trong điều kiện
sử dụng bình thƣờng, đƣợc xác định bằng cách thống kế xác suất và đƣợc qui định trong tiêu
chuẩn) với hệ số độ tin cậy về tải trọng  Q (xét đến khả năng tải trọng thực tế có thể biến đổi

khác với tải trọng tiêu chuẩn một cách bất lợi). Ngoài ra, tải trọng tính toán P còn đƣợc nhân
với hệ số an toàn về sử dụng  n , xét đến mức độ quan trọng của công trình.
Khi có nhiều tải trọng (Pi) tác dụng đồng thời, phải tính toán với tổ hợp bất lợi nhất của các
tải trọng. Xác suất để xuất hiện đồng thời nhiều tải trọng mang giá trị lớn nhất đƣợc xét bằng
cách nhân tải trọng hoặc nội lực với hệ số tổ hợp nc .
Nhƣ vậy, nội lực N có thể viết dƣới dạng:

N   Pi Ni Q n nc
c

Trong đó N i - nội lực do Pi  1 .
Khả năng chịu lực S là nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu đƣợc. Có thể viết S dƣới
dạng tích số của đặc trƣng hình học tính diện A (diện tích, mô đun chống uốn...) với cƣờng độ
tính toán f của vật liệu và với hệ số điều kiện làm việc  c . Cƣờng độ tính toán f bằng cƣờng
độ tiêu chuẩn của vật liệu chia cho hệ số an toàn vật liệu  M . Cƣờng độ tiêu chuẩn của vật
liệu f y chính là giới hạn chảy của thép f y   c hoặc trong trƣờng hợp mà có thể sử dụng tính
giới hạn bền thì lấy fu   b .
f  f y /  M , khi tính theo giới hạn chảy;

ft  fu /  M , khi tính theo giới hạn bền.

Nhƣ vậy, khả năng chịu lực S viết là:
S  Af  c =Af y c /  M

Hoặc trƣờng hợp hai:
S  Aft  c /  u =Afu c /( M  u )

Trong đó  u  1,3 - hệ số an toàn đối với cấu kiện tính theo giới hạn bền.
Đối với nhóm TTGH thứ hai, điều kiện giới hạn phải đảm bảo là   
Trong đó  - biến dạng hay chuyển vị của kết cấu dƣới tác dụng của các tải trọng tiêu

chuẩn trong những tổ hợp bất lợi nhất. Nếu gọi  i là biến dạng gây bởi tải trọng đơn vị thì:
   Pi c nc n i

20


 - biến dạng lớn nhất cho phép để có thể sử dụng bình thƣờng, đƣợc quy định trong tiêu
chuẩn hay trong nhiệm vụ thiết kế.
I.4.2.3 Khái niệm về cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán
Cƣờng độ tiêu chuẩn là đặc trƣng cơ bản của vật liệu đƣợc quy định trong các tiêu chuẩn
thiết kế kết cấu. Đối với thép cacbon và thép cƣờng độ khá cao, khi không cho phép làm việc
quá giới hạn chảy, cƣờng độ tiêu chuẩn lấy bằng trị số giới hạn chảy f y   c . Đối với thép
không có biến dạng chảy (cƣờng độ cao) và cả trong trƣờng hợp kết cấu có thể làm việc quá
giới hạn dẻo thì cƣờng độ tiêu chuẩn có thể lấy bằng giới hạn bền: fu   b .
Cƣờng độ tính toán f và f t bằng cƣờng độ tiêu chuẩn chia cho hệ số an toàn vật liệu  M .
Với thép cƣờng độ thông thƣờng và cƣờng độ cao vừa có  c  3800 daN / cm2 ,  M  1, 05 ; với
thép cƣờng độ cao có  c  3800daN / cm2 ,  M  1,15 .
Với các dạng chịu lực khác, cƣờng độ tính toán đƣợc xác định từ cƣờng độ kéo, nén, uốn
cơ bản ( f và f t ) nhân với các hệ số chuyển đổi.
Cƣờng độ tính toán của một số loại thép thông dụng đƣợc cho trong bảng I.1 phụ lục 1.
Nhƣ đã nói, để xác định khả năng chịu lực của cấu kiện, phải nhân vào công thức hệ số
điều kiện làm việc  c . Trị số  c đƣợc cho trong bảng I.2 phụ lục I.
Tiêu chuẩn qui định tải trọng hoặc nội lực phải nhân với hệ số an toàn về sử dụng  n .
Những công trình đặc biệt quan trọng  n  1 . Các công trình công nghiệp dân dụng thông
thƣờng có  n  0,98 . Công trình ít quan trọng thì  n  0,9 .
Nhƣ vậy, hệ số  n đƣợc sử dụng trong mọi tính toán, trong khi hệ số  chỉ áp dụng cho
một số cấu kiện có điều kiện sử dụng riêng.
I.4.3

Tải trọng và tổ hợp tải trọng

I.4.3.1 Phân loại tải trọng
Tùy t [hw/tw] đƣợc nội suy tuyến tính theo các giá trị ứng với m = 0
và m = 1.

IV.4.3 Xác định tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm, nén uốn
IV.4.3.1 Chọn dạng tiết diện cột
Dạng tiết diện cột thƣờng đƣợc chọn là dạng chữ H đối xứng hoặc không đối xứng nhƣ ở
trên.
Chọn dạng đối xứng (nhƣ Hình IV-13a,b) khi cột có M nhỏ hoặc khi cột chịu các mômen
đổi dấu có trị số chênh nhau không lớn. Dạng tiết diện đối xứng cho việc gia công chế tạo có
phần đơn giản hơn.
Chọn dạng không đối xứng (nhƣ Hình IV-13c,d) khi dọc theo chiều dài cột luôn chịu
mômen uốn về một phía hoặc khi cột chịu các mômen đổi dấu có trị số chênh lệch lớn.
IV.4.3.2 Xác định tiết diện cột
Xét cho dạng tiết diện chữ H đối xứng và cột chỉ chịu uốn trọng một mặt phẳng có độ cứng
chống uốn lớn (Mx). Xem nhƣ đã có lx, ly và cặp nội nguy hiểm nhất cho cột là N và Mx.
 Chọn bề cao (h) và bề rộng (b) tiết diện
Để đảm bảo yêu cầu về độ cứng của cột, nhƣ đã nêu ở Đ4.4 mục 1 bề cao (h) và bề rộng
(b) của tiết diên cột đƣợc sơ bộ chọn theo chiều dài cột lc là:

139


1 
1 
 1
 1



 lc , b = 
 l c và b = (0,3  0,5) h .
 10 15 
 20 30 

h= 

 Xác định diện tích tiết diện cột
+ Từ công thức 4.24 ta có diện tích tiết diện yêu cầu của cột là:

Ayc 
trong đó: e xác định theo x =

N
 e f c

(4.69)

lx
e
Mx
và mx =  x  
;
ix
x
x N

ix = xh ,x lấy theo bảng IV.5; sơ bộ lấy và x gần đúng nhƣ sau:  = 1,25 và x =
(0,350,45) h.
+ Theo công thức tính gần đúng của Iasinky

N Mx

 f c , có diện tích tiết diện yêu
A Wx

cầu của cột là:
Ayc =

N
f c

 1 MxA
N  1 Mx 
 
 
 
 ,
  NWx  f c    x N 

sơ bộ lấy  = 0,8 và x nhƣ trên , ta có
Ayc =

N
f c

M 

1,25  2,2  2,8 x 
hN 



(4.70)

 Chọn các bề dày bản cánh (tf), bản bụng (t w)
Từ các yêu cầu cấu tạo sơ bộ chọn bề dày bản bụng và bản cánh theo các yêu cầu sau:
tf  (

tw  (

1 1 f
 ) b trong đó đơn vị của f là kN/cm2 ;
28 35 21

1
1

)h , tf  tw , tf  60 mm, tw  8 mm.
60 120

Với Ayc xác định theo công thức 4.69 hoặc 4.70 và các yêu cầu về h, b, tw , tf nêu trên chọn
ra các kích thƣớc hợp lý cho tiết diện cột.
Tiết diện cột đã chọn phải kiểm tra lại theo các điều kiện chịu lực về bền, về ổn định tổng
thể, ổn định cục bộ, nhƣ đã trình bày ở trên. Cột đã chọn phải đảm bảo điều kiện giới hạn về
độ mảnh theo công thức 4.5.
IV.5 Cấu tạo và tính toán các chi tiết của cột
IV.5.1 Đầu cột và liên kết xà ngang vào cột
Liên kết cột với xà ngang (dầm, dàn) cần đƣợc thực hiện đảm bảo sơ đồ tính là liên kết
140

cứng hoặc khớp. Có hai hình thức liên kết là xà ngang đặt trên đỉnh cột (Hình IV-14) và xà
ngang liên kết vào bên cạnh cột (Hình IV-15).
IV.5.1.1 Xà ngang đặt trên đỉnh cột
Hình thức liên kết này dùng cho sơ đồ liên kết khớp và thƣờng có cấu tạo nhƣ Hình IV-14.
Cấu tạo này thực hiện sự truyền tải từ sƣờn gối tựa của xà ngang xuyên qua bản mũ cột 2
xuống thẳng các bản thép của thân cột ngay dƣới sƣờn đầu dầm, không gây cho bản mũ cột bị
uốn (Hình IV-14c, g).

Hình IV-14: Đầu cột

Bề dày của các bản bụng (tw), bản cánh (tf), sƣờn gia cƣờng (ts) ở đầu cột nằm dƣới các
sƣờn gối tựa của xà ngang đƣợc lấy theo điều kiện ép mặt:
t
trong đó:

N
Zf c

(4.71)

t – bề dày bản bụng (t w), bản cánh (t f), sƣờn gia cƣờng (t s)

N – lực nén tính toán từ xà ngang truyền vào;
Z – bề rộng diện tích ép mặt, Z = b + 2t2;
b – bề rộng sƣờn gối tựa của xà ngang;
141


t2 – bề dày bản mũ cột.

Khi sƣờn gối tựa của các xà ngang truyền tải xuống bụng cột (bụng nhánh cột) mà bề dày
bản bụng tw không đảm bảo điều kiện theo công thức (4.71) thì tăng tw của một phần bản bụng
trên cùng dài lb  0,6 hw (Hình IV-14b), hoặc tăng cƣờng bằng các bản ốp 1 (Hình IV-14a)
rộng bằng Z, dài l1  0,6hw , hw là chiều cao tiết diện bản bụng. Bề dày của bản ốp này lấy sao
cho tổng chiều dày của chúng và bản bụng thỏa mãn điều kiện theo công thức (4.71) và sao
cho bản ốp không bị mất ổn định. Chiều cao hf của đƣờng hàn góc liên kết các bản ốp với bản
bụng đƣợc tính toán với lực :
N1 =

2 NAem1
2 Aem1  Aemb

(4.72)

trong đó: Aemb – diện tích chịu ép mặt của bản bụng, Aemb = Ztw;
Aem1 – diện tích ép mặt của bản ốp, Aem1 = Zt1;
t1, tw – bề dày của bản ốp, bản bụng.
Bề rộng của các sƣờn gia cƣờng 3 (Hình IV-14d, e) nằm dƣới sƣờn gối tựa của xà ngang
lấy không nhỏ hơn bề rộng sƣờn gối tựa của xà ngang. Chiều dài ls của các sƣờn này đƣợc xác
định từ liên kết hàn góc giữa sƣờn với cột chịu uốn Ms =

NZ
N
và cắt Vs =
và ls  0,6 hw ,
8
2

hw là bề cao tiết diện bản bụng liên kết với sƣờn, đồng thời ls  85fhf , hf là chiều cao tiết diện
đƣờng hàn góc liên kết sƣờn vào bản bụng. bề dày ts của sƣờn xác định theo (4.71) và điều

kiện ts  2bs

f
, bs là bề rộng của sƣờn. Bề dày sƣờn thƣờng là ts = 14  20 mm.
E

Khi bản bụng có bề dày nhỏ mà các sƣờn gia cƣờng lại chịu phản lực xà ngang lớn thì bản
bụng có thể bị phá hoại về cắt trên hai mặt liên kết các sƣờn gia cƣờng. Do vậy bản bụng cột
(bụng nhánh cột) ở đây cần kiểm tra theo công thức
=

N
 fv
2l s t w

(4.73)

trong đó: 2 – số mặt cắt; tw – bề dày bản bụng;
ls – chiều dài mặt cắt, bằng chiều dài sƣờn gia cƣờng.
Trong các cột tiết diện chữ H tổ hợp, các đƣờng hàn góc liên kết cánh với bụng cột ở đoạn
giáp với mũ cột dài la  85fhf đƣợc kiểm tra, xem nhƣ chúng chịu nội lực N của cột. Với các
cột có liên kết cánh với bụng chỉ hàn một phía thì ở đoạn này phải hàn cả hai phía.
Các vách cứng đầu cột rỗng nhƣ Hình IV-14d đƣợc cấu tạo và tính toán nhƣ một dầm tiết
diện chữ I. Chiều cao dầm lấy không nhỏ hơn chiều dài sƣờn gia cƣờng đỡ xà ngang ls. Liên
kết hàn góc giữa bụng dầm với nhánh cột đƣợc tính theo nội lực cắt của dầm do N gây ra.
Cấu tạo truyền lực qua ép mặt giữa mũ cột và thân cột hay sƣờn đứng gia cƣờng đầu cột
142